Конспект лекцій по курсам "Мікроелектроніка комп'ютерних систем" і "Теоретичні основи мікроелектроніки" (стр. 2 )

При паралельному з'єднанні резисторів загальний опір обчислюється формулою

1/R = 1/R1+1/R2+1/R3…...

При паралельному з'єднанні резисторів одержуємо опір менший найменшого опору із з'єднаних резисторів.

Потужність, що розсіюється резистором або будь-яким іншим елементом, визначається як P = U · I. Користуючись законом Ома, потужність, яка розсіюється резистором можна записати у вигляді:

P = I2·R або P = U2 / R.

Конденсатори. Конденсатори, як і резистори, широко використовуються в електронних пристроях. В ідеальному випадку залежність струму конденсатора від напруги на ньому описується виразом

I = C(dU/dt).

Таким чином, струм конденсатора пропорційний не просто напрузі, а швидкості зміни напруги. Коефіцієнт пропорційності С - це ємність конденсатора, що виміряється у фарадах (Ф). Ємність завбільшки 1 Ф дуже велика, тому на практиці мають справи з мікрофарадами (мкФ), нанофарадами (нф), пікофарадами (пФ). Ємність С визначає здатність конденсатора накопичувати заряд. Це видно з наступної властивості конденсатора:

Q = C·U.

Це означає, що конденсатор, що має ємність С фарад, до якого прикладена напруга U вольт, накопичує заряд Q кулон. Очевидно, що чим більше ємність конденсатора, тим більший заряд він може накопичити при однаковій напрузі.

Електричні характеристики конденсаторів залежать від типу діелектрика між його обкладками. Велике поширення одержали наступні типи конденсаторів:

-  керамічні, склоемальовані, слюдяні із твердим неорганічним діелектриком;

-  паперові, металопаперові, фторопластові із твердим органічним діелектриком;

-  електролітичні, оксидно-напівпровідникові, оксидно-металеві з оксидним діелектриком.

Основними параметрами конденсатора є:

1)  Номінальне значення ємності.

2)  Допустиме відхилення дійсної ємності від номінального значення (в %).

3)  Струм витоку - струм між обкладками конденсатора при постійній напрузі ( в основному для оксидних конденсаторів).

4)  Опір ізоляції або постійна часу саморозряду.

5)  Температурний коефіцієнт ємності ТКЄ, що показує зміну величини ємності залежно від температури.

6)  Номінальна напруга.

Більш докладніше з характеристиками конденсаторів можна познайомитися в додатку Б.

Ємність паралельно з'єднаних конденсаторів дорівнює сумі ємностей, тобто

С = С1+ С2 + С3+ … ...

Для послідовного з'єднання ємностей маємо такий же вираз, що й для паралельного з'єднання резисторів:

1/C = 1/C1+1/C2+1/C3 + … ...

Індуктивності. Хорошим приближенням індуктивного елемента або просто індуктивності є котушка індуктивності. В ідеальному індуктивному елементі напруга на індуктивності прямо пропорційно швидкості зміни струму

U = L(dI/dt),

де L - коефіцієнт пропорційності між напругою і швидкістю зміни струму, який називається коефіцієнтом самоіндукції або індуктивністю. Індуктивність виміряється в генрі (Гн). Зверніть увагу, що індуктивністю називають елемент і коефіцієнт самоіндукції.

Індуктивність (елемент) має властивості, протилежні властивостям конденсатора. Так постійна напруга, прикладена до індуктивності, викликає наростання струму, що протікає через нього, причому зміна струму відбувається за лінійним законом. Якщо ж пропустити постійний струм через конденсатор, то це призведе до наростання напруги за лінійним законом.

Котушки індуктивності, як правило, мають циліндричну або спіральну форму витків і виконуються як одношаровими, так і багатошаровими. Для збільшення значень індуктивності застосовують магнітопроводи. Матеріалом магнітопроводу найчастіше служить залізо або ферит. Магнітопровід може бути виготовлений у вигляді стрижня, тора, або броньового сердечники. Зміна індуктивності котушки здійснюється за допомогою зміни параметрів магнітопроводу шляхом переміщення рухомого сердечника.

Індуктивності, головним чином, використовуються у вибіркових колах, фільтрах електричних сигналів. Один з різновидів котушок індуктивностей зветься дросель. Їхнє основне призначення - забезпечити великий опір для змінних струмів і малий для постійних або низькочастотних струмів.

1.3. Динамічний опір

Багато елементів електроніки мають нелінійні вольт-амперні характеристики. У цьому випадку струм не пропорційний напрузі. І тут нема рації говорити про опір, тому що відношення U/I не є постійною величиною, незалежною від U, а навпаки залежить від U. Для таких елементів з нелінійною вольт-амперною характеристикою, вводять поняття динамічного або диференціального опору. Нехай нелінійна вольт-амперна характеристика задана кривою, показаною на рис.1.2. Виберемо на цій кривій деяку точку А. Ця точка визначається постійними значеннями напруги UА і струму IА. Проведемо дотичну до точки А. При малих відхиленнях струмів і напруг щодо точки А дотична добре апроксимує криву вольт-амперної характеристики. Значить, в межах точки А нелінійну криву вольт-амперної характеристики можна замінити лінійною характеристикою, тобто дотичною. У якості змінних тут розглядаються зміни (збільшення) струмів і напруг щодо точки А. Це рівнозначно перенесенню початку координат у точку А. Тоді для змін напруг і струмів можна ввести поняття динамічного або диференціального опору як відношення збільшення (зміни) напруги до збільшення (зміни) струму

r = ∆U/∆I.

Динамічний опір ще називають опором змінному струму. Динамічний опір, як і звичайний опір, виміряється в омах.

Особливість динамічного опору полягає в тому, що він визначається для збільшення напруг і струмів в межах деякої точки вольт-амперної характеристики. Ця точка на вольт-амперній характеристиці визначає режим роботи елемента при постійному струмі, тобто постійних значеннях напруги UА і струму IА. Динамічний опір залежить від обраної точки на вольт-амперній характеристиці, тому що нахил дотичної в кожній точці кривої різний.

Дуже часто для побудови лінійних електронних пристроїв використовуються нелінійні елементи (елементи з нелінійної вольт-амперною характеристикою). У цьому випадку нелінійну характеристику в межах деякої точки заміняють лінійною - дотичною до цієї точки. У якості змінних розглядаються не повні значення струмів і напруг, а їх зміни в межах цієї точки. Чим менше відхилення струмів і напруг щодо їх постійних значень, тим більше дотична наближається до кривої вольт-амперної характеристики. Залежність зміни струму від напруги в цьому випадку можна вважати лінійної і визначається динамічним опором r:

∆U =∆I× r; ∆I = ∆U/r.

1.4. Джерела струму і напруги

Під джерелом розуміють елемент, що живить коло електромагнітною енергією. Ця енергія споживається пасивними елементами кола - запасається в індуктивностях і ємностях і витрачається в активному опорі. Прикладами реальних джерел електромагнітної енергії можуть служити генератори постійних, синусоїдальних і імпульсних сигналів різноманітної форми, сигнали, одержувані від різних датчиків, антен радіоприймальних пристроїв, джерела живлення, сигнали, що надходять із виходів електронних пристроїв і т. д.

Для аналізу кіл зручно вводити ідеалізовані джерела двох видів: джерело напруги і джерело струму, які враховують головні властивості реальних джерел. При відповідному доповненні ідеалізованих джерел пасивними елементами можна передати всі властивості реальних джерел стосовно їхніх зовнішніх виводів.

а) б) Рис.1.3 Ідеальне джерело напруги

Джерело напруги. Під джерелом напруги розуміють такий елемент із двома виводами (полюсами), напруга між якими задана у вигляді деякої функції часу незалежно від струму, що віддається в зовнішнє коло. Незалежність напруги від струму відповідає вольт-амперній характеристиці, представленій на рис.1.3а. Таке ідеалізоване джерело здатне віддавати необмежену потужність. Найбільш часто застосовуються умовні графічні зображення джерела напруги, які показані на рис.1.3б, де прийнята позитивна полярність напруги джерела вказується або стрілкою всередині кружечка, або знаками “+”, “-”.

І Рис.1.4 Реальне джерело напруги

Реальні джерела сигналу мають внутрішні опори. До джерела напруги внутрішній опір підключається послідовно. На рис.1.4 показані вольт-амперна характеристика і схема реального джерела напруги. Для реального джерела вихідна напруга дорівнює

Uн = U0 – URвн = U0 – Iн Rвн.

З формули видно, що вихідна напруга реального джерела струму залежить від струму навантаження Iн. Чим більше струм навантаження, тим більше падає напруга на внутрішньому опорі джерела, і менша частина напруги U0 надходить на навантаження (на вихід). З іншого боку, чим більше внутрішній опір Rвн при незмінному струмі навантаження, тим більше падає на ньому напруга, що веде до зменшення напруги на виході джерела. Стосовно до електронних схем внутрішній опір джерела часто називають вихідним опором.

У випадку ідеального джерела напруги, його внутрішній опір дорівнює 0 і напруга на навантаженні не залежить від струму навантаження. При цьому струм навантаження може зростати нескінченно, якщо опір навантаження буде прагнути до 0. У дійсності неможливо побудувати ідеальне джерело напруги у всьому діапазоні зміни вихідного струму. Однак, у багатьох випадках, для обмеженого діапазону зміни вихідного струму деякі джерела можна розглядати як ідеальні. Наприклад, джерело живлення в діапазоні робочих струмів має дуже малий внутрішній опір, яким можна зневажити, у порівнянні з опором навантаження. Або інший приклад, вихідний опір операційного підсилювача, охопленого негативним зворотним зв'язком, може досягати декількох сотих часток Ома. Таким внутрішнім опором можна зневажити і розглядати вихід операційного підсилювача як ідеальне джерело напруги в діапазоні припустимих вихідних струмів.